第03讲 地物电磁波发射特性

遥感技术基础第三讲地物电磁波发射特性ElectromagneticWaveEmissionCharacteristicsofobject一、电磁波的概念二、电磁波的产生三、电磁波的基本性质四、电磁波谱内容回顾电磁波、电磁波谱概念电磁波：在真空或物质中通过传播电磁场的振动而传输电磁能量的波。电磁波谱：将电磁波在真空中按照波长或频率的大小依顺序划分成波段，排列成谱即称为电磁波谱。光的波动性和粒子性是光在不同条件下的不同表现：从数量上看：少量光子的运动表现出粒子性；大量光子的运动表现出波动性。从频率上看：频率高的光子粒子性强，频率低的光子波动性强。当光和其它物质发生相互作用时表现为粒子性，当在传播时表现为波动性。波粒二象性在水面上的油膜、肥皂泡等在白光照射下为什么会出现灿烂的彩色？思考一、辐射量的定义二、黑体辐射三、太阳辐射四、地物的波谱发射特性五、红外辐射特性提纲:在遥感中测量从目标反射或目标本身发射的电磁波的能量的过程称为辐射量的测定。辐射量的测定方式：辐射测量和光度测量（不同的术语和单位）辐射测量：从γ射线到电波（整个波长范围）光度测量：可见光波段一、辐射量的定义辐射通量光谱分布曲线光谱辐射通量波长光谱辐射通量辐射强度：在单位立体角、单位时间内，从微小辐射源向某一方向辐射的辐射能量eI点辐射通量dd辐射能量：以电磁波形式传播的能量eQ辐射通量：在单位时间内传送的辐射能量dtdQe一、辐射量的定义ddS辐射照度：在单位时间内、单位面积上接受的辐射能量eEdSdEeddS辐射出射度：在单位时间内、从单位面积上辐射出的辐射能量eMdSdMe一、辐射量的定义面的法线辐射面dddS辐射亮度：在单位立体角、单位时间内、从外表的单位面积上辐射出的辐射能量eLcosdSddLe所谓“外表面的面积”是指从受到辐射的方向看过去的单位面积，它是以投射到与辐射方向成正交的平面上的正射投影为单位面积的物体表面部分的面积。在辐射测量的各个量中，当加上“光谱”（spectral）这一术语时，则是指单位波长宽度的量。例如：光谱辐射通量（spectralradiantflux），光谱辐射亮度（spectralradiance）一、辐射量的定义二、黑体辐射1、什么是黑体2、为什么要研究黑体3、黑体辐射规律1、什么是黑体(blackbody)定义：能全部吸收外来电磁波辐射而毫无反射和透射的理想物体。也称绝对黑体。近似黑体的例子：★黑色的烟煤（吸收系数99%）★太阳（接近黑体辐射的辐射源）★白天看远处的屋内★空腔模型？空腔模型2、为什么要研究黑体客观现象：凡是温度大于绝对温度0K（-273.16º）的任何物体都具有发射电磁波的能力。因为地球上所有物体的温度都大于0K，因此所有物体均具备发射电磁波的能力，能力大小与温度有关。如何比较物体的发射能力？必须有比较的标准。常以黑体辐射为标准。3、黑体辐射规律1860年基尔霍夫得出了好的吸收体也是好的辐射体的定律。1900年普朗克用量子论的概念推出了黑体的辐射定律，它表明了黑体辐射的能量大小即辐射通量密度（单位时间内单位面积所通过的辐射能量）与温度波长的关系。Wλ：分谱辐射通量密度，单位为（W/m3）；h：普朗克常数（h=6.6256×10-34W·s2）；K：波耳兹曼常数（k=1.38×10-23W·s/K）；λ：波长，单位为μm；c：光速，3×108m/s；T：黑体的绝对温度，单位为K。11252TkhcechW普朗克公式3、黑体辐射规律11252TkhcechW上式可看出：Wλ与T和辐射能量的波长λ有关。λ小、以T为第一变量、λ为第二变量可在直角平面坐标系中绘出Wλ与T、λ的关系曲线，该曲线也叫做黑体的波谱辐射曲线。900K500K600K700K800K3、黑体辐射规律波长（微米）分光谱辐射通量密度0.20.40.60.802468101214Wλ大；T高，Wλ大。dehcWkThc112052得到从1cm2的面积上黑体辐射到半球空间中的总辐射通量密度W为：W=σT4σ：斯帝芬—玻耳兹曼常数结论：黑体的总辐射通量密度与其绝对温度的4次方成正比，即温度愈高，黑体辐射的能量愈大，被遥感器记录的能力也愈大；反之亦然。将普朗克公式对λ从零到无穷大进行积分可得（1）斯帝芬—玻耳兹曼定律遥感应用：不同温度的物体具有不同的辐射能量，记录它们的辐射能量差别就为区别它们提供了基础。这为在遥感图像上识别不同温度的物体提供了基础。900K500K600K700K800K波长（微米）分光谱辐射通量密度0.20.40.60.802468101214（1）斯帝芬—玻耳兹曼定律对普朗克公式微分并求极值：（2）维恩位移定律λmax·T=2897.8μm●K＝常数011522102542TkhcTkhcTkcheTkhceehcW从λmax·T=常数可得结论：★黑体辐射能量的主波长λmax（峰值波长）与温度成反比★黑体辐射能量主要集中在λmax附近★不同黑体的辐射通量密度在其λmax处差别最大举例：◇铁块加热后逐渐变热继续加热铁块变红λmax发生了向左的偏移◇蓝火焰与红火焰相比谁的温度高？（2）维恩位移定律900K500K600K700K800K---发射红外、热红外光---发射红光（2）维恩位移定律应用启示：★为很好的记录黑体的辐射特性，应选择在其λmax附近为好，因而在设计遥感器通道时应以记录黑体的λmax为参考。维恩位移定律为识别特定物体而设计传感器响应波段提供了理论基础。★分波段记录时（因在λmax附近），温度高的黑体，其影像呈亮色调。每根曲线互不相交，温度越高，黑体在所有波长处的Wλ也越大。表明：不同温度的黑（物）体，在任何波长处的辐射通量密度都是有所区别的，因而在分波段记录的遥感图像上，黑（物）体影像之间都是有色调或色彩差别的，也就是说它们是可区别的。波长（微米）分光谱辐射通量密度900K500K600K700K800K（3）三、太阳辐射1、太阳和太阳常数2、太阳光谱太阳基本物理参数半径:696295千米质量:1.989×1030千克温度:5800℃(表面)1560万℃(核心)总辐射功率:3.83×1026焦耳/秒平均密度:1.409克/立方厘米日地平均距离:150,000,000Km年龄:约50亿年组成太阳的物质大多是些普通的气体，其中氢约占71％,氦约占27％,其它元素占2％。太阳系行星大小对比1、太阳和太阳常数太阳从中心向外可分为核反应区、辐射区、对流区和太阳大气。太阳大气又可分成光球、色球和日冕三层。1、太阳和太阳常数1个天文单位：日地平均距离（=149597870km）历史上是利用金星凌日(即太阳、金星、地球刚好在一条直线上)方法测出地球到太阳的距离的。金星凌日（1639）凌日：指地内行星圆面经过日面的现象。水星和金星距离太阳比地球距离太阳近，在绕日运行过程中有时会处在太阳与地球之间。这时，地球上的观测者可看到一小黑圆点在日面缓慢移动，这就是凌日现象。金星有凌日现象，它以两次凌日为一组，两次凌日间隔8年，但两组之间的间隔却长达100多年，因此金星凌日是百年难遇的。金星凌日看起来就像太阳面庞上的一颗黑痣。英国天文学家哈雷（EdmondHalley)曾提出利用观测凌日可得出精确的日地距离。俄罗斯天文学家罗蒙诺索夫在1761年观测金星凌日时发现了金星大气。19世纪，天文学家通过观测金星凌日成功地得出日地较准确的距离。1、太阳和太阳常数1个天文单位：日地平均距离（=149597870km）电磁辐射传播的时间为499.004782s。把太阳近似看作黑体时，温度约为6000K，其辐射峰值在0.47～0.50μ之间，输送到地面能量约1.72×1016焦耳/秒。历史上就是利用金星凌日(即太阳、金星、地球刚好在一条直线上)方法测出地球到太阳的距离的。1、太阳和太阳常数太阳常数：在日地平均距离的条件下，在地球大气上界，垂直于太阳光线的1平方厘米的面积上，在1分钟内所接受的太阳辐射能量。太阳常数=1.95卡/cm2·分=1.360×103W/m2地球绕太阳沿椭圆轨道运行，日地距离在一年内是变化的。★由于大气对电磁波传输的影响而使太阳辐射能量损失，太阳辐射到达地面的有效辐射通量密度为903W/m2，仅占大气上界太阳辐射的64.5%。2、太阳光谱150005002000100025003.02.62.21.81.41.00.60.2可见光海平面上太阳辐射6000K黑体辐射大气上界太阳辐射太阳的辐射光谱范围从x射线一直到无线电波，绝大部分能量集中在0.2～3.0μ之间，大致分布如下：0.2～1.4μ占90.8%从紫外到近红外1.4～1.8μ占5.2%近红外1.8～2.5μ占2.6%近红外3.0～4.2μ占1.1%中红外4.5～5.5μ占0.18%中红外7.5～14μ占0.11%热红外遥感中常用波段：0.32～1.1μ，占85%（可见光＋红外线）1.4～2.5μ，占8%（短波红外,在地质遥感中有重要作用）这两个波段在RS中有重要的应用2、太阳光谱0.2～1.4μ1.4～1.8μ1.8～2.5μ3.0～4.2μ4.5～5.5μ7.5～14μ注意：太阳辐射是连续的，为什么这里给出的波段不是连续的？2、太阳光谱四、地物的波谱发射特性1、地物波谱发射率2、地物波谱发射特性1、地物波谱发射率为了衡量不同的地物发射电磁波能力的大小，常用波谱发射率来表示地物的发射能力。定义：单位面积上地物发射某一波长的辐射通量密度Wλ′与同温下黑体在同一波长的辐射通量密度Wλ之比，记做ελ，ελ=Wλ′/Wλ注意：1、定义中强调了“同一温度”，为什么？2、符号中有波长，为什么？常温(200C)下部分地物的发射率人体皮肤0.99石油0.27木板0.98灌木0.98柏油路0.93稻田0.89土路0.83小麦地0.93干沙0.95黑土0.87混凝土0.90黄粘土0.85大理石0.95草地0.84该表说明什么？1、地物性质不同，波谱发射率是不同的。2、如果遥感中记录地物发射的电磁波信息，就可以区分不同的地物性质和位置。1、地物波谱发射率地物波谱发射率随温度的变化地物温度石英石花岗岩－200C0.6940.78700C0.6820.783200C0.6210.780400C0.6640.777该表说明什么:1、发射率随温度变化。2、温度愈高，发射率为什么不一定就高呢？（是与同温度下黑体发射能量的比值）3、如果遥感器获取得是地物的电磁波发射信息，在不同时间获取得图像上，图像的深浅程度或颜色是不同的，仍然可以区分地物。1、地物波谱发射率1、地物波谱发射率结论：不同的地物有不同的波谱发射率，同一地物在不同波段的波谱发射率也不同。不同地物间的波谱发射率的差异也代表了地物间发射能力的不同，发射率大的地物，其发射电磁波的能力强。2、地物波谱发射特性地物波谱发射特性的定义：地物的波谱发射率随波长和温度的变化而变化的性质。地物波谱发射特性曲线的定义：以地物的波谱发射率为纵轴，以波长为横轴，将发射率与波长的对应关系在平面直角坐标系中绘制成的曲线。波长1.000.5光谱发射率波长光谱辐射通量密度黑体选择性辐射体灰体灰体黑体选择性辐射体1)绝对黑体ελ＝12)灰体ελ＝ε但（0ε1)3)选择性辐射体ελ＝f(λ)4）绝对白体ελ＝02、地物波谱发射特性2、地物波谱发射特性ελ对地物来讲是个变值，但在比较不同的地物发射间发射能力的不同，常用平均发射率来表达。dWTdWdW040012、地物波谱发射特性地物热辐射地物因自身存在温度而向外发射电磁波的现象。沙漠中的蜥蜴2、地物波谱发射特性由于地物热学性质的差异，对太阳辐射的吸收能力不一样，各地物的温度也不一样，它们随太阳周期变化的幅度也不相同，衡量此变化情况的术语是地物热惯性。地物热惯性：又叫“热接触系数”，指两种不同介质交界面上热传递速率的